フォトニック研究を前進させるニークなナノディスク

September, 24, 2024, Gothenburg--チャルマース工科大学の研究者は、ユニークな光学特性を持つナノオブジェクトを作成することにより、フォトニクスの2つの主要な研究分野を組み合わせることに初めて成功した。
この物体は人間の髪の毛の1000倍も細いにもかかわらず、非常に強力であるため、このブレークスルーは効率的でコンパクトな非線形光学デバイスの開発に大きな可能性を秘めている。
チャルマーズでこの研究を主導したTimur Shegai教授は「この発見は大きな可能性を秘めていると感じている」とコメントしている。

フォトニックアプリケーションは、光と物質の相互作用の力を利用して、様々な興味深い現象を生み出す。これにより、通信、医学、分光法などの大きな進歩が可能になり、レーザ技術や量子技術にも使用されている。現在、チャルマース工科大学物理学科の研究者たちは、非線形ナノフォトニクスと高屈折率ナノフォトニクスという2つの主要な研究分野を1つの円盤状ナノオブジェクトに組み合わせることに成功した。

「われわれは、成果に驚き、満足していた。円盤状の構造は、光の波長よりもはるかに小さいが、非常に効率的な光周波数コンバータである。また、同種の非構造化材料よりも10,000倍、あるいはそれ以上に効率的であり、ナノ構造化が効率を高める方法であることを証明している」と、Nature Photonicsの記事の筆頭著者、Dr. Georgii Zografは話している。

特性を損なわない新しい製造
やや単純化すると、材料と光の共鳴と、研究者がナノディスクで組み合わせた結晶の非線形性を通じて光周波数を変換する能力を組み合わせたものである。その製造には、遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)、すなわち室温で優れた光学特性を持つ原子的に薄い材料である二硫化モリブデンを使用した。ただし、この材料の問題は、結晶格子対称性の制約により、非線形特性を失わずにスタックすることが非常に難しいことである。

「われわれは、その体積の破れた逆対称性を保持し、したがって光学的非線形性を維持する、特別に積み重ねられた二硫化モリブデンのナノディスクを初めて製造した。このようなナノディスクは、各単層の非線形光学特性を維持できる。これは、素材の効果が維持され、強化されることを意味する」とGeorgii Zografは説明している。

この材料は屈折率が高いため、この媒体で光をより効果的に圧縮できる。さらに、この材料には、原子格子を基礎となる材料と一致させる必要なく、任意の基板上で転送可能であるという利点がある。ナノ構造は、電磁場を局在化し、そこから2倍の周波数の光を生成するのにも非常に効率的である、、これは第2高調波発生と呼ばれる効果である。これは、例えば、高エネルギーパルスレーザシステムで使用される和周波数および差分周波数生成効果に似た、いわゆる非線形光学現象である。

したがって、このナノディスクは、極端な非線形性と高屈折率を1つのコンパクトな構造で組み合わせている。

光学研究の大きな前進
「われわれが提案する材料と設計は、非常に高い固有の非線形光学特性と注目すべき線形光学特性(可視光学範囲での屈折率4.5)により、最先端である。これら 2 つの特性により、われわれの研究は非常に斬新で、業界にとっても魅力的なものになる可能性がある」と Georgii Zograf は話している。

「これは、特にディスクのサイズが非常に小さいため、正しくマイルストーンである。第2高調波(SHG)発生やその他の非線形性は、レーザでは毎日使用されているが、それらを利用するプラットフォームは通常、センチメートルスケールである。それに対して、われわれの物体のスケールは約50nmであり、約10万分の1の薄い構造だ」と研究リーダー、Timur Shegai教授は言う。

研究チームによると、ナノディスクの研究がフォトニクス研究を前進させる。長期的には、TMD材料の信じられないほどコンパクトな寸法は、そのユニークな特性と相俟って、高度な光学およびフォトニックアプリケーションで使用できる可能性がある。例えば、これらの構造は様々な光回路に組み込み、フォトニクスの小型化に利用することができる。

「われわれは、量子と古典の両方の様々な種類の非線形ナノフォトニクス実験に貢献できると信じている。このユニークな材料をナノ構造化する能力を持つことで、ナノディスクアレイやメタサーフェスなどの光デバイスの小型化と高効率化を飛躍的に向上させることができる。これらのイノベーションは、非線形光学系やエンタングル光子ペアの生成などの応用に利用できる可能性がある。これは最初の小さな一歩だが、非常に重要な一歩である。われわれは表面をなぞったにすぎない」とTimur Shegaiはコメントしている。